약물투여경로는 경구, 주사(정맥, 근육, 피하), 외용(경피, 폐, 비강, 직장 등)으로 나눈다. 이 중 치료효과는 주사제가 빠르고 높지만, 주사제에 대한 부작용(고통 및 아나필락시스) 및 저장보관(냉장 및 냉동)과 대비 경구제는 상대적으로 낮은 약물의 부작용, 보관 편리성 및 환자편리성을 고려하여 가장 널리 사용되고 있다.1)
경구제는 고형제제(건조시럽제, 구강붕해정, 박칼정, 발포정, 산제, 설하정, 정제, 캡슐제, 츄어블정) 및 액상제제로 구분된다(약학정보원). 경구제형 중 정제가 일반적으로 개발되며, 난용성 약물은 가용화 후 고체형태인 고체분산체로 개발되어야 한다.
최근 개발된 약물의 40%가 난용성 약물이며, 고형제제 개발에 있어 약물의 가용화가 필수적이다.2) 100년이 넘는 역사가 있는 고체분산체는 꾸준하게 1-3세대를 거쳐오면서 약물의 가용화뿐만 아니라 안정화에도 중점을 두고 있다.3) 현재 3세대 고체분산체는 계면활성제와 무정형고분자 및 고분자 혼합 방식을 이용하여 약물의 용출율 및 생체이용율 향상 및 약물의 재결정 방지제제로 개발되고 있다.4) 고체분산체의 장점으로 약물의 결정성 변화(결정형에서 무정형), 약물의 재결정 방지, 약물 입자크기 감소 및 습윤성 향상 등이 있다.3)
고체분산체는 대부분 용융법 및 용매증발법을 이용하여 제조한다. 용융법은 약물 및 고분자의 용융점보다 높게 가열하고 액화시킨 후 실온이나 저온으로 냉각하여 고체분산체를 얻는 방법이며, 용매증발법은 약물과 고분자를 정제수나 유기용매에 용해 후 정제수나 용매를 건조하여 고체분산체를 얻는 방법이다.3,4)
연구 약물로는 생물약제학적 분류체계 Class II인 페북소스타트를 선정하였다. 페북소스타트는 크산틴 산화효소억제제로 통풍환자의 혈액 내 고요산혈증 치료제이며, 미국식품의약국(USFDA)에 승인되었고, 대조약은 Uloric®이다(Uloric® in rxlist). 페북소스타트 고체분산체 최근 3년 연구동향으로 2024년에 2편,5,6) 2023년에 5편,7-11) 2022년 3편,12-14)의 연구들이 수행되었다. 최근 3년의 연구실적이 2021년 이전 10년 연구실적보다 많다. 이는 현재 페북소스타트 연구가 활발하게 수행되고 있는 것을 시사한다.
메조포러스실리카는 표면적이 크고, 작은 미세구멍을 갖는 구조를 가지고 있다.15) M CM -41은 규산염 및 알루모규산염 고체로 촉매 및 촉매 지지체로 사용된다.16) 특히 입자크기는 100-1000 nm이며, 미세구멍의 직경은 3.4nm이며, 비표면적(BET)은 850 m2/g 이상이다. 또한, MCM-41은 계면활성제로 cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)가 사용되었으며, 촉매 분해, 분리, 염료 제거 및 흡착제로 널리 사용된다(in ACS material®). Kollidon®12 PF는 Kollidon® 제품 중에 분자량이 가장 낮고, 가용화제, 분산제, 약물의 재결정 방지제로 사용된다.17) 폴리비닐피롤리돈은 수용액 및 유기용매에 대한 용해도가 높고, 복합체 구성을 위한 결합제로도 사용된다(in BASF Pharma).
최근 페북소스타트의 고체분산체 제조방법을 이용한 가용화는 다음과 같다. 첫 번째 고체분산체는 페북소스타트, Gelucire®50/13 및 Neusilin®US2로 구성되어 있으며, 용매증발법에 의해 제조되었다.6) 두 번째 고체분산체는 페북소스타트, sodium salt β-cyclodextrin (SBE7-βCD) 및 polyethylene glycol (PEG) 6000으로 구성되었고, 용매증발법에 의해 제조되었다.5) 세 번째 고체분산체는 페북소스타트 및 Kolliphor®P407로 구성되었고, 용매증발법에 의해 제조되었다.9) 네 번째 고체분산체는 페북소스타트, HS-15® (Macrogol [15]-hydroxystearate), granular dicalcium phosphate dehydrate (DCP-D), Neusilin®UFL2 및 키토산으로 구성되었고, 용매증발법에 의해 제조되었다.7) 다섯 번째 고체분산체는 페북소스타트, 메글루민, Kolliphor®P407 및 만니톨로 구성되었고, 용매증발법에 의해 제조되었다.8) 따라서, 상기 연구들과의 차별성이 있는 페북소스타트 고체분산체 연구가 필요하다.
본 연구의 목적은 고체지지체로써 분산성 및 약물봉입율이 높은 메조포러스실리카(MCM-41)와 가용화제인 K12®의 구성으로 간단한 제조공정을 통해 페북소스타트의 용출율 향상 및 안정한 페북소스타트 고체분산체를 개발하는 것이다. 연구가설은 메조포러스실리카에 흡착 및 약물봉입으로 약물의 결정형 변화 및 분산성 향상을 통해 약물의 용출율이 향상될 것이고, 추가적인 K12®로 가용화 및 제제 안정성 확보가 될 것으로 사료된다. 본 연구의 제조방법은 약물을 M CM -41에 봉입 및 흡착을 위해 용매증발법을 이용하여 균일하게 약물 분포를 할 계획이다. 모든 제제는 용출평가는 사전용출평가로 대체하였고, 최종 제제는 용출, 물리화학적 특성 및 안정성평가를 수행하였다.
약물인 페북소스타트(Febuxostat)는 유유제약㈜에서 제공 받았다(Suwon-si, Korea). MCM-41은 ACS Material에서 구입하였다(California, America). Kollidon® (K12, K17, K30, K90)은 BASF에서 제공받았다(Ludwigshafen, Germany). Ethyl alcohol (99.5%)은 삼전화학에서 구입하였다(Seoul, Korea).
캐리어베이스 C(1-5) 제제는 M CM -41의 중량증가에 따른 페북소스타트의 가용화 효과 확인을 위해 개발하였다. 제조방법은 페북소스타트 40mg 및 MCM-41 (40-200 mg)을 취해 에탄올 5 mL이 들어있는 유리바이알에 넣고, 30분간 80°C 멀티가열교반기(multi-channel stirrer [MS-33MH]; JEIO TECH, Korea)에서 500 rpm으로 분산시킨다.7) 모든 C 제제는 용매를 완전히 제거하기 위해 80°C 건조오븐에서 약 하루 정도 건조 후, 균일한 과립을 위해 20호체로 체과한다. 추가적으로 데시게이터에서 약 하루 동안 건조시킨다(Table 1). 캐리어베이스 C (1-5) 제제의 사전용출결과를 통해 MCM-41의 비율을 선정하였다.
Con | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | P1 | P2 | P3 | P4 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Febuxostat | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 |
MCM-41 | 40 | 80 | 120 | 160 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | |
K12® | 80 | |||||||||
K17® | 80 | |||||||||
K30® | 80 | |||||||||
K90® | 80 | |||||||||
Total | 40 | 80 | 120 | 160 | 200 | 240 | 320 | 320 | 320 | 320 |
폴리머베이스 P (1-4) 제제는 C5 (페북소스타트:MCM-41=1:5, w/w) 제제에 Kollidon® (12, 17, 30, 90)의 종류에 따른 페북소스타트의 가용화 효과 확인을 위해 개발하였다. Kollidon® 중량을 80 mg (페북소스타트:Kollidon®=1:2, w/w)으로 고정 후 제조하였다(Table 1). 제조방법은 상기 제조법과 동일하다.
최종제제인, SD1은 사전용출결과 P1 제제로 최종 선정하였으며, 페북소스타트 가용화에 주요 인자를 파악하기 위해 구성성분을 하나씩 제외하여 제조하였다(Table 2).18) 제조방법은 상기 제조법과 동일하다.
SD1(P1) | SD2 | SD3 | SD4 (blank) | |
---|---|---|---|---|
Febuxostat | 40 | 40 | 40 | |
MCM-41 | 200 | 200 | 200 | |
K12® | 80 | 80 | 80 | |
Total | 320 | 120 | 240 | 280 |
모든 샘플의 함량, 사전용출, 용출은 315 nm 파장에서 UV-Vis spectrophotometry (X-ma 1000; Human Co., Korea)로 분석하였다.7,8) 모든 분석샘플은 불순물 제거를 위해 원심분리하여 상층액을 희석용매(물이나 완충액)로 1/2 희석 후 분석하였다. 0.39-50 μg/mL 농도의 검량선을 통해 농도를 계산하였다(R2=0.9990).
사전용출평가는 모든 제제의 신속 평가를 위해 개발되었다.19) 모든 샘플은 37±1°C 항온하에 멀티교반기를 이용하여, 다음과 같이 수행하였다. 페북소스타트로서 4mg 해당량을 취해 400 rpm으로 분산되고 있는 정제수(90 mL)에 첨가하고, 총 4차례(15, 30, 45, 60분) 샘플을 채취하였다(n=3).
용출평가는 인공 위액(pH 1.2), 정제수 및 인공 장액인 pH 6.8 완충용액(900 mL)에서 최종제제(SD1), 물리적혼합물(PM1) 및 대조약(패브릭정®)을 페북소스타트로써 40mg에 해당하는 양을 취해 분말형태로 용출기(Distek 6300; New Brunswick, NJ, USA) 로 평가하였다. 용출법으로는 제 2법인 패들법으로(100 rpm), 총 5번(5, 15, 30, 45, 60분) 샘플채취 하였다(n=6).
페북소스타트 최종제제(SD1)의 물리화학적 변화를 열적, 상호작용, 결정학적 평가를 수행하였다. 열적평가는 온도 범위는 5-350°C이며 승온속도는 10°C/min이며 DSC로 평가하였다(60A, Shimadzu, Japan). 약물과 부형제의 상호작용평가는 4,000-500 cm−1 (분리도 2cm−1) 측정범위로 Fourier-transform infrared (FT-IR) spectrometer (Nicolet6700, Thermo Scientific, USA)로 평가하였다. 결정학적 평가는 5°-70°로 2θ 범위이며 scan 0.02 속도로 다기능 X-선회절분석기(Multipurpose X-ray Diffractometer [X’pert Pro MRD, PANalytical, Netherlands])로 평가하였다.
최종제제(SD1) 및 SD (2-3) 제제는 함량 및 사전용출평가를 통해 3개월간 안정성 평가를 수행하였다. 모든 샘플은 상온(15~25 ℃)에서 습도(30%)가 유지된 데시게이터에 보관하였고, 사전용출평가 및 함량평가를 하였다(n=3).6)
샘플의 통계분석은 시그마플롯에서 Student’s t-test로 분석하였다(ver. 12.5; SYSTAT, Inc., Chicago, IL, USA). 데이터는 평균±표준편차(standard deviation) 로 표현하였다. 모든 분석에서 p<0.005 (***), p<0.01 (**), p<0.05 (*)가 통계적으로 유의한 것으로 간주하였다.
MCM-41은 비산성 높은 가벼운 분말형태이다. MCM-41을 이용한 약물의 가용화로는 실로스타졸 및 셀레콕시브가 있다.20,21) 페북소스타트 제제의 유동성 및 분산성 향상에 도움을 줄 것으로 사료되어 캐리어로 선정하였다.
기존의 순수한 페북소스타트 약물은 분말형태이지만, 페북소스타트 약물(Con)의 경우 용매증발법을 통해 딱딱한 형태로 변하였다. C (1-5) 제제는 M CM -41의 성상과 동일하게 소프트한 분말형태이다. MCM-41의 증량에 따른 제제의 성상 차이는 없고 부피감이 증가하였다.
C (1-5) 제제는 M CM -41의 증량에 따른 사전용출율의 효과를 확인하기 위한 처방이다. 분말의 흐름성을 확인을 위한 안식각 측정결과는 다음과 같다. Con; 65.7±1.2°, C1; 60.7±1.2°, C2; 59.0±3.6°, C3; 65.7±1.2°, C4; 51.7±2.9°, C5; 42.7±2.5°로 페북소스타트(Con)와 비교하여 M CM -41의 중량이 증가할수록 안식각은 감소하여 흐름성은 증가하였다.
P (1-4) 제제는 Kollidon® (12, 17, 30, 90)의 종류에 따른 사전용출율의 효과를 확인하기 위한 처방이다. 안식각은 P1; 43.3±2.9°, P2; 46.7±2.9°, P3; 48.3±2.9°, P4; 49.3±6.0°으로 Kollidon®의 분자량이 증가할수록 안식각이 소폭 증가하였다. SD (1-4) 제제는 SD1에서 각각의 성분을 제외하여 가용화의 역할을 확인하기 위한 처방이다. 안식각은 SD1; 43.3±2.9°, SD2; 61.7±2.9°, SD3; 42.7±2.5°, SD4; 41.3±2.3°이다. SD2 (SD1에서 M CM -41 제외) 제제는 SD1과 비교하여 안식각이 확연하게 증가하여 흐름성이 감소하는 것을 확인하였다. 종합적으로 P (1-4) 제제는 C5 제제와 비교하여 고분자가 첨가되어 흐름성이 감소하였다. C(1-5) 및 P (1-4) 제제는 페북소스타트(약물)와 비교하여 연회색이다. 최종제제인 SD1 및 SD (2-4)의 성상에 대한 차이는 거의 없었고, SD2는 M CM -41 무첨가제제로 흐름성은 현저하게 감소하였다.
C (1-5) 제제는 M CM -41의 증량에 따라 사전용출율의 향상을 보였다. C (1-5) 제제의 최종사전용출율(60분)은 2.3±0.3% (Con, 페북소스타트), 31.4±2.8% (C1), 42.9±1.5% (C2), 52.5±2.0% (C3), 65.2±2.4% (C4), 74.1±4.9% (C5)이다. MCM-41의 40mg씩 증량에 따라, 대략 10%씩 사전용출율이 향상하였다(Fig. 1). C5 제제는 다른 제제와 비교하여 p<0.005로 유사도는 매우 낮았다(C4, p=0.048).
P (1-4) 제제는 Kollidon®K (12, 17, 30, 90)의 종류에 따른 영향을 확인하기 위해 개발되었다(Fig. 2). 대부분의 최종사전용출율(60분)이 80% 이상으로 개선되었다(P4 제외). P (1-4) 제제의 초기사전용출율(15분)은 80.2±2.1% (P1), 75.5±1.9% (P2), 73.6±6.2% (P3), 51.2±12.6% (P4)이다. 그리고, P(1-4) 제제의 최종사전용출율은 87.2±1.5% (P1), 82.4±1.7% (P2), 82.9±2.4% (P3), 70.2±12.1% (P4)이다. P1제제의 초기 및 최종사전용출율이 가장 높았고, P4 제제는 가장 낮은 결과 및 높은 표준편차를 나타냈다. 이러한 결과는 Kollidon®K (12, 17, 30, 90)의 특성 때문으로 생각된다. Kollidon®K12에서 K90으로 갈수록 분자량 및 점도 증가하기 때 문이다(Kollidon® in BASF). 이로 인해, P1에서 P4 제제로 갈수록 사전용출율이 감소하며, 표준편차도 증가하는 것으로 사료된다. P1 제제는 다른 P 제제와 비교하여 p<0.05로 유사도를 보였다(P4, p=0.072).
결과적으로, C5 제제와 비교하여 P (1-3) 제제들의 가용화 효과는 뚜렷하게 보이나, P (1-3) 제제 간의 효과는 뚜렷하지 않았다. 그렇지만, P1 제제는 P2 제제와 비교하여 초기(15분) 및 최종사전용출율(60분)이 높아 최종제제로 선정하였다. P3 제제는 P1 제제 및 P2 제제 대비 높은 표준편차를 보여 선정하지 않았다.
최종제제인 SD1 (P1) 제제와 각각의 부형제를 제외한 SD2 (MCM-41 제외), SD3 (K12® 제외), 및 SD4 (페북소스타트 제외)를 개발하여 가용화에 주요 요인을 평가하였다(Fig. 3). SD (1-4) 제제의 최종사전용출율은 87.2±1.5% (SD1), 18.6±1.1% (SD2), 65.3±2.7% (SD3)이며, SD4는 흡광도 측정되지 않았다. 상기 뚜렷한 사전용출결과에 따라 M CM -41이 K12® 보다 가용화효과가 높은 것으로 나타났다.
용출평가의 샘플은 패브릭정®, PM1 및 SD1제제이며, 용출액은 pH 1.2 용액, 정제수 및 pH 6.8 완충용액을 사용하였다(Fig. 4).
pH 1.2 용액에서의 최종용출율(60분)은 다음과 같다. 패브릭정® (4.0±0.6%), PM1 (2.3±0.2%) 및 SD1 (24.7±1.7%)로 전체적으로 낮은 용출율을 확인하였다. 이는 페북소스타트의 pH 의존적 용해도와 일치한다.6-8) 그러나 SD1 제제는 6.2-배(패브릭정®), 10.7-배(PM1) 향상된 것을 확인하였다.
정제수에서의 최종용출율(60분)은 다음과 같다. 패브릭정® (43.0±5.1%), PM1 (41.5±3.8%) 및 SD1 (89.0±0.3%)로, pH 1.2 용액과 비교하여 전반적으로 용출율이 향상된 것을 확인하였다. 특히, SD1 제제는 2.1-배(패브릭정®) 및 2.1-배(PM1) 향상된 것을 확인하였다.
pH 6.8 완충용액에서의 최종용출율(60분)은 다음과 같다. 패브릭정® (85.1±0.6%), PM1 (85.0±1.4%) 및 SD1 (92.9±2.3%)로, 대조약인 패브릭정® 및 P M 1과 비교하여 SD1의 용출율이 향상된 것을 확인하였다. SD1 제제는 1.1-배(패브릭정®) 및 1.1-배 (PM1) 향상된 것을 확인하였다. 이는 페북소스타트의 pH 의존성에 의해 높은 pH에 용해도가 높아 SD1 제제와 대조약과의 차이가 없는 것으로 사료된다.6-8)
SD1 제제는 모든 용출액에서 패브릭정® 및 P M 1 제제보다 향상된 용출율을 확인하였다. SD1 제제의 용출율은 패브릭정®과 PM1제제의 용출율과 비교하여 현저히 낮은 통계적 유의성을 보였다(p<0.005). 본 연구결과 SD1 제제의 용출율은 pH 6.8 완충용액이 정제수보다 더 높았다.6) 다른 연구결과는 최종제제의 용출율은 정제수가 pH 6.8 완충용액에서 1-2% 더 높은 결과도 있다.7,8)
이전 연구로는 첫 번째 페북소스타트 고체분산체(페북소스타트, Gelucire®50/13 및 Neusilin®US2, 중량 280 mg)는 정제수 및 pH 6.8 완충용액에서 약 72% 및 90.3%의 용출율을 나타냈다.6) 두 번째 페북소스타트 고체분산체(페북소스타트, sodium salt β-cyclodextrin (SBE7-βCD) 및 PEG6000, 중량 240 mg 이상)는 정 제수 및 pH 6.8 완충용액에서 약 80% 이상 용출율을 나타냈다.5) 세 번째 페북소스타트 고체분산체(페북소스타트 및 Kolliphor®P407, 중량 200 mg)는 정제수(약 60% 이하) 및 pH 6.0 완충용액에서 약 80% 이상 용출율을 나타냈다.9) 네 번째 페북소스타트 고체분산체(페북소스타트, HS-15®, granular dicalcium phosphate dehydrate (DCP-D), Neusilin®UFL2 및 키토산, 중량 360mg)는 정제수(약 96%) 및 pH 6.8 완충용액(약 94%) 용출율을 나타냈다.7) 다섯번째 페북소스타트 고체분산체(페북소스타트, 메글글루민, Kolliphor®P407 및 만니톨, 중량 200 mg)는 정제수(약 100%) 및 pH 6.8 완충용액(약 98%) 용출율을 나타냈다.8)
본 연구의 최종제제인 SD1제제(중량 320mg)는 염기화제가 없는 제제로 정제수 및 pH 6.8 용출용액에서의 용출율이 약 90%로 높은 용출율 개선을 보였다. 상기 논문들과 비교하여 정제수 및 pH 6.8 완충용액에서 비등한 결과를 나타내는 것을 확인하였다.
열분석 결과는 다음과 같다(Fig. 5a). 샘플들의 용융점은 209.1°C (페북소스타트), 54.8°C (K12®의 유리전이온도), 209.1°C (PM1)이며, MCM-41, BM1 (blank formulation) 및 SD1은 용융점은 나타나지 않았다. PM1 제제는 페북소스타트의 용융점이 확인되지만, SD1 제제는 페북소스타트의 용융점이 사라졌다. 이를 통해, SD1 제제의 페북소스타트는 열적변화를 확인 할 수 있었다. FT-IR의 결과는 다음과 같다(Fig. 5b). 샘플들의 C=O 밴드는 1678.0 cm−1 (페북소스타트), 1656.2 cm−1 (K12® ), 1653.1 cm−1 (MCM-41), 1662.7 cm−1 (BM1), 1646.7 cm−1 (PM1), 1660.1 cm−1 (SD1)에 나타난다. SD1 제제에서의 페북소스타트의 C=O 결합부분이 변화된 것을 확인하였다.
결정성 평가 결과는 다음과 같다(Fig. 5c). 페북소스타트는 결정성 약물이며, 다른 샘플들인 K12®, MCM-41, BM1, 및 SD1은 무정형으로 분석되었다. 그러나, PM1은 6.6, 12.6, 16.2, 24.3, 25.7, 29.3의 2-theta 피크가 관찰되어 결정형으로 판단된다. 이는 페북소스타트의 2-theta와 일치하여, PM1 제제의 페북소스타트의 결정성이 관찰되었다. 결과적으로, SD1 제제는 페북소스타트의 결정성이 무정형으로 변화된 것으로 예상된다. 이전 연구의 페북소스타트 고체분산체(페북소스타트, Gelucire®50/13 및 Neusilin®US2), (페북소스타트, sodium salt β-cyclodextrin [SBE7-βCD] 및 PEG6000), (페북소스타트, HS-15®, granular dicalcium phosphate dehydrate [DCP-D], Neusilin®UFL2 및 키토산), (페북소스타트, 메글글루민, Kolliphor®P407 및 만니톨) 제제 모두 페북소스타트의 용융점 및 결정성이 변화하였고, 모두 용출율이 개선되었다.5-8)
SD (1-3) 제제의 안정성평가 결과 모두 함량은 98% 이상 유지되었다. 초기(initial)/3개월 사전용출율은 87.2±1.4%/87.3±2.6% (SD1), 19.3±2.5%/20.3±0.9% (SD2), 66.4±2.5%/66.7±0.8% (SD3)이다(Fig. 6). SD (1-3) 제제는 3개월간의 안정성을 확보하였다. 이전 연구에서도 무정형의 페북소스타트의 안정성 확보한 사례가 있다.7,8)
메조포러스실리카(MCM-41)를 최초로 적용하여 페북소스타트-고체분산체를 성공적으로 개발하였다. 본 연구는 용매증발법을 이용하여 삼원계 고체분산체(페북소스타트:MCM-41:K12®=1:5:2, w/w)를 개발하였다. 최종제제인 SD1은 물리화학적특성인 열적, 상호작용 및 결정성 모두 변화하였다. SD1 제제의 용출평가 결과 24.7±1.7% (pH 1.2 용액), 89.0±0.3% (정제수) 및 92.9±2.3% (pH 6.8 완충용액)으로 대조약과 비교하여 6.2-배, 2.1-배, 1.1-배용출율이 향상되었다. 현재 용출율이 개선된 페북소스타트 SD1 제제의 in vivo 동물연구 연구수행을 위한 보완제제를 개발을 준비 중이며, 향상된 생체이용율 뿐만 아니라 치료적 효과도 기대된다.
이 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. IRIS RS-2023-00277126).
모든 저자는 이해 상충을 가지고 있지 않음을 선언한다.
Yoon Hwan Shin : Student
Soon Hyung Kwon : Senior research scientist
Jin-Seok Choi : Professor